Z3040型摇臂钻床电气控制控制系统设计.docx

湖南工业大学课 程 设 计资 料 袋 机械工程 学院（系、部） 2014 2015 学年第 二 学期 课程名称 机电控制技术 指导教师 吴吉平 职称 教授 学生姓名 高东 专业班级 机设1204 学号 1212110110 题 目 钻床的电气控制系统设计 成 绩 起止日期 2015 年 5 月 28 日 2015 年 6 月 3 日目 录 清 单序号材 料 名 称资料数量备 注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸张湖南工业大学课程设计任务书20102011学年第一学期 机械工程 学院（系、部） 机械设计制造及其自动化 专业 机设07 班级课程名称： 机电控制技术 设计题目： 摇臂钻床的电气控制系统设计 完成期限：自 2015 年 5 月 28日至 2015 年 6 月 3 日共 1 周内容及任务一、设计的主要技术参数 具体要求见课程设计指导书二、设计任务 完成系统的继电器控制原理图、PLC控制原理图及设计说明书一份三、设计工作量电气图23张，说明书不少于6000字进度安排起止日期工作内容5、28讲解设计目的、要求、方法，任务分工529根据指导书和任务书要求确定控制系统的输入输出点数、类型，确定输入、输出设备及元器件种类、数量，初步选定PLC型号530根据指导书和任务书绘制控制系统工作流程图，确定每个动作实现和解除必须的条件52861绘制继电器控制原理图、电路计算、元器件选择列表编制控制系统的PLC控制程序62.63编写设计说明书主要参考资料1、齐占庆，电气控制技术课程设计指导书，机械工业出版社，2003。2、张万奎等编，机床电气控制技术，北京大学出版社，20073、程宪平主编，机电传动与控制（第二版），武汉：华中科技大学出版社，2003年9月4、石玉珍，电气制图及图形符号国家标准汇编，中国标准出版社，1989指导教师（签字）： 2015年 6月 3 日系（教研室）主任（签字）： 2015年 6月 3 日（课程设计名称）设计说明书（题目）摇臂钻床的电气控制系统设计 起止日期： 2015 年 5月 28日 至 2015 年 6月 3 日学生姓名高东 班级 机设1204学号 1212110110成绩指导教师(签字)机械工程学院（部）2015年6月3日目录第1章机电控制技术课程任务书11.1设计目的11.2课程设计的基本要求11.3设计运用的基本理论21.4 课程设计任务 3第2章摇臂钻床简介及运动分析2.1摇臂钻床的作用42.2摇臂钻床结构分析42.3摇臂钻床运动分析.52.4摇臂钻床对控制的要求5 第3章 控制方案设计63.1课程设计任务要求 63.2设备电气控制要求3.3电动机的选择 7第4章 电气控制线路要求84.1主电路设计 84.2控制电路设计94.3 PLC编程10第5章 电气元件的选择.12 5.1熔断器的选用.13 5.2 接触器的选用.13 5.3 热继电器的选用.14 5.4 电气元件细表.15课程小结15参考文献16第一章、机电控制技术课程设计任务书：1.设计目的学习普通机床的电气控制原理图及PLC编程在机床电气中的应用2.课程设计的基本要求1主轴电动机控制 主轴电动机为单向旋转，由按钮、和接触器实现起动和停止控制。主轴的正、反转则由电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操纵机构，配合正、反转摩擦离合器驱动主轴正转或反转。2摇臂升降控制 摇臂钻床在加工时，要求摇臂应处于夹紧状态，才能保证加工精度。但在摇臂需要升降时，又要求摇臂处于松开状态，否则电动机负载大，机械磨损严重，无法升降工作。摇臂上升或下降时，其动作过程是，随着升降指令发出，先使摇臂与外立柱处于松开状态，而后上升或下降，待升降到位时，要自行重新夹紧。由于松开与夹紧工作是由液压系统实现，因此，升降控制必须与松紧机构液压系统紧密配合。为升降电动机，由按钮、点动控制接触器、接通或断开，使电动机正、反向旋转，拖动摇臂上升或下降移动。为液压泵电动机，通过接触器，接通或断开，使电动机正向带动双向液压泵送出压力油，经二位六通阀至摇臂夹紧机构实现夹紧与松开。下面以摇臂上升为例简述动作过程：按下按钮，时间继电器线圈通电，瞬时常开触点(13-14)闭合，接触器线圈得电，液压泵电动机起动旋转带动液压泵送出压力油，同时断电延时断开的常开触点(1-17)闭合，使电磁阀线圈得电，液压泵输出的压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块，将摇臂松开。同时，活塞杆通过弹簧片压上行程开关发出摇臂已松开信号。此时，触点(6-13)断开，使接触器线圈断电，液压泵电动机停转，油路单向阀保压，摇臂处于松开状态。与此同时，触点(6-7)闭合，接触器线圈得电，升降电动机得电起动旋转，带动摇臂上升，待摇臂上升至所需位置时，松开按钮，线圈断电，电动机停转，摇臂停止上升。同时线圈也断电，常闭触点(17-18)瞬时闭合，而其延时断开的常开触点(1-17)仍未打开，使电磁阀继续得电，同时接触器线圈得电，液压泵电动机反转，反向送出压力油，经二位六通阀反方向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。延时打开触点，经过13延时后断开，同时活塞杆通过弹簧压下行程开关，使触点 (1-17)也断开，电磁阀、线圈断电。液压泵电动机停转，摇臂上升后重新夹紧过程结束。行程开关为摇臂放松信号开关。行程开关为摇臂夹紧信号开关。时间继电器延时断开常开触点是为保证当瞬间操作或，使得电摇臂开始松开后放开或时，若过早断电，可能造成摇臂处于半松开状态。有了延时断开触电(1-17)后，则能在线圈断电13内处于闭合状态，使线圈得电，液压泵电动机反向旋转，使摇臂重新夹紧，直到延时时间到，触点断开，动作，断电为止，这样就保证了摇臂在加工工件前总是处于夹紧状态。3夹紧、松开控制 Z3040型摇臂钻床除了上述摇臂上升下降过程需要夹紧、松开控制外，还有主轴箱和立柱的松开、夹紧控制。主轴箱和主柱的松开、夹紧从液压系统中看出二者是同时进行的。当按下松开按钮，接触器线圈得电，液压泵电动机正转，拖动液压泵输送出压力油，经二位六通阀，进入主轴箱与立柱的松开油缸推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱实现松开，此时由于不得电，压力油不会进入摇臂松开活塞，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关不受压，触点(10l-102)闭合，指示灯亮，表示主轴箱与立柱处于松开状态，可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动至适当位置。同时推动摇臂(套在内立柱上)使外立柱绕内立柱旋转至适当的位置，按下夹紧按钮，接触线圈得电，电动机反转，拖动液压泵输送出反向压力油至夹紧油缸，使主轴箱和立柱夹紧。同时行程开关压下，触点(101-102)断开，灯暗，而(101-103)闭合，灯亮，指示主轴箱与立柱处于夹紧状态，可以进行钻削加工。4冷却泵电动机控制 冷却泵电动机容量小(0.125)，由开关控制单向旋转。5联锁、保护环节 电路中利用实现摇臂松开到位，开始升降的联锁控制，利用，实现摇臂完全夹紧的联锁控制。通过延时断开的常开触点实现摇臂松开后自动夹紧的联锁控制。摇臂升降除了按钮、机械互锁外，还采用、电气的双重互锁控制。主轴箱与立柱进行松开、夹紧工作时，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，通过、常闭触点切断线圈电路，达到联锁目的。电路利用熔断器作为总电路和电动机、的短路保护。利用熔断器作为电动机、及控制变压器一次侧的短路保护，利用热继电器为电动机的过载保护，为电动机的过载保护。组合行程开关作为摇臂上升、下降的极限位置保护，有两对常闭触点，当摇臂上升下降至极限位置时，相应触点动作切断与其对应的上升下降接触器、，使电动机停止转动，摇臂停止升降，实现升降极限位置保护，电路中失压或欠压保护由各接触器实现。6照明与信号指示电路 通过控制变压器降压提供照明灯安全电压，由SA2开关操作。熔断器作为短路保护。当主轴电动机工作时，触点(101-104)接通，指示灯亮，表示主轴工作；当主轴箱、立柱处于夹紧状态时，触点(101-l03)接通，灯亮。主轴箱、立柱处于松开状态，触点(101-102)接通，灯亮。3.设计需运用的基本理论钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。按用途和结构分类，钻床可以分为立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。主轴箱可在摇臂上移动，并随摇臂绕立柱回转的钻床。摇臂还可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床加工范围广，可用来钻削大型工件的各种螺钉孔、螺纹底孔和油孔等。摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。此外，还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。此次试验就是要将滑座式Z3040摇臂钻床的控制系统改为PLC控制。摇臂钻床加工时，主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削一边进行纵向进给，其运动形式为：（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；（2）进给运动为主轴的纵向进给；（3）辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。所运用的知识有液压控制基础，继电器-接触器控制线路的设计，可编程控制器的基本理论，电动机基本控制线路，其中电气原理图，接线图，还有PLC地形图，还有一些指令并熟悉PLC编程软件的使用。 4.课程设计任务 1、机器的机械结构，动作片顺序（附图）等。 2、控制部分（如液压系统）的原理（附原理图）。 3、电气传动的特点及控制要求 4、电气控制线路设计（附图） 5、绘制PLC接线图，附PLC编程的梯形图或语句表或KFC等。第二章 摇臂钻床简介及运动分析一、摇臂钻床的作用摇臂钻床,也可以称为横臂钻。主轴箱可在摇臂上左右移动，并随摇臂绕立柱回转180º的钻床（见图）。摇臂还可沿外柱上下升降，以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床加工范围广，可用来钻削大型工件的各种螺钉孔、螺纹底孔和油孔等。摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船，机械加工，等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。此外，还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。二、摇臂钻床的结构分析摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。内立柱固定在底座的一端，在它的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。三、摇臂钻床的运动分析当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形式为：（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动。（2）进给运动为主轴的纵向进给。（3）辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。图1-3 Z3040型摇臂钻床结构图四、摇臂钻床对控制的要求（1）摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用多台电动机拖动。例如Z3040型摇臂钻床采用4台电动机拖动，他们分别是主轴电动机，摇臂升降电动机，液压泵电动机和冷却泵电动机，这些电动机都采用直接启动方式。（2）为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下多由机械变速机构实现。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。（3）摇臂钻床的主运动和进给运动均为主轴的运动，为此这两项运动有一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，进给传动机构实现主轴的旋转和进给。（4）在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。（5）摇臂升降电动机要求能正反向旋转。（6）内外主轴的夹紧与放松、主轴与摇臂的夹紧与放松可用机械操作、电气机械装置，电气液压或电气液压机械等控制方法实现。若采用液压装置，则备有液压泵电机，拖动液压泵提供压力油来实现，液压泵电机要求能正反向旋转，并根据要求采用点动控制。（7）摇臂的移动严格按照摇臂松开移动摇臂夹紧的程序进行。因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。（8）冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。（9）具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。 第三章 控制方案设计一、课程设计要求及任务1）设备机械运动部分说明2）主运动：机床主轴可正反转；直接启动；停车采用反接制动、定子回路串如电阻；主轴正转可电动3）工作台进给运动：进给运动由主电动机驱动，实现纵向、横向两个方向的进给4） 快速进给：由快速进给电动机带动二、设备电气控制要求1）主电机M1：三相异步电动机（M1能正反转、反接制动、正向点动）2） 快移电动机：三相异步电动机（单向运转）3）冷却泵电动机：三相异步电动机直接由转换开关控制（控制按钮控制、可实现两地控制）4）主轴机械变速、要求监视主电动机工作电流5）照明电压24V，控制电压110V6）要有必要的指示灯三、电动机的选择（根据功率、转速等要求选择）根据P=0.0646D1.19，因为Z3040摇臂钻床的最大钻孔直径为40mm,所以P=0.0646*401.19=5.2KW，所以主电机M1选择：Y132S1-2,额定功率5.5KW,额定电流11.1A，额定电压380V。冷却泵电动机选择：JCB-22 0.15KW，380V，0.43A快移电动机选择：Y160M1-2 11KW，380V，21.8A 第四章 电气控制线路设计一、 主电路设计图3-1电路说明和解释M1为主轴电机，M2为摇臂升降电动机，M3为液压泵电动机，M4为冷却泵电动机，主电机采用的是串电阻降压启动方式，当KM1打开，KM6关闭时就进入了启动模式，当KM2关闭KM3打开时，M2电动机正传，反之反转，M3与之同理，M4采用的是转换开关启动。二、 控制电路设计图3-2电路说明和解释SB1，SB2与接触器KM1构成主电机的启停控制，M1启动后，HL3亮。摇臂上升按钮SB3，下降按钮SB4正反转接触器KM2,KM3组成互锁。如摇臂电动机不能转动，由正反转接触器KM4，KM5控制液压泵电动机的正反转来送出液压油实现加紧与松开。断电延时KT闭合使电磁阀YA得电液压泵送油。三、PLC编程绘制PLC接线图，附PLC编程的梯形图a. 绘制PLC接线图 第五章 电气元件的选择一、 熔断器的选用熔体的额定电流IrN=(1.52.5)INmax+IN.所以IrN=63A选用原则及最后型号选择熔断器时主要应该选择熔断器的类型，额定电压，额定电流及熔体的额定电流。FU1选择RT12-A3，FU2，FU3选择RT12-A1。二、 接触器的选用接触器是一种用来自动接通或断开大电流的自动电器，主要用来接通或断开带有负载上网交，直流主电路或大容量控制电路。选用原则及最后型号选用原则根据额定电压，额定电流，操作频率，通断能力等，本设计主电机KM1选择CJ20-16A，其余KM2，KM3选择CJ20-25A。三、 热继电器的选用热继电器是利用电流的热效应原理来工作的保护电路。选择热继电器时主要根据电动机的额定电流确定热继电器的型号，本设计选择JR0-40，热元件的额定电流为16A。四、 电气元件明细表表4-4符号名称及用途符号名称及用途M1主轴电动机FU2M1、M2及变压器一次侧的短路保护熔断器M2摇臂升降电动机FU3主轴的短路保护熔断器M3液压泵电动机FU4工作灯短路保护熔断器M4冷却泵电动机YA电磁阀KM1主轴旋转接触器SA1机床工作灯开关KM2摇臂上升接触器FR1M1电动机过载保护用热继电器KM3摇臂下降接触器FR2M3电动机过载保护用热继电器KM4主轴箱、立柱、摇臂放松接触器QS1电源引入开关KM5主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器QS2冷却泵工作开关KM6交流接触器SB1主电动机停止按钮SB2主电动机启动按钮KT放松、夹紧用断电延时时间继电器SB3摇臂上升启动按钮KT1主轴延时时间继电器SB4摇臂下降启动按钮SQ1摇臂升降极限保护限位开关SB5主轴箱、立柱松开按钮SQ2摇臂放松用限位开关SB6主轴箱、立柱夹紧按钮SQ3摇臂夹紧用限位开关HL1HL3工作状态指示信号灯SQ4立柱夹紧、放松指示用限位开关EL机床工作灯FU1总电路短路保护熔断器TC控制变压器课程设计小结在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过这次摇臂钻床电气控制控制系统设计，我在多方面都有所提高。通过这次设计，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。 在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的吴吉平老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。 由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。参考文献1、徐建俊主编电机与电气控制清华大学出版社，北京交通大学出版社 20042、天津源峰科技公司步进电机应用手册3、宋德玉主编可编程控制器原理应用系统设计技术北京：冶金工业出版社，20024、陈立定，吴玉香，苏开才编电气控制与可编程控制器广州：华南理工大学出版社